报告导读：本报告从国际窄线宽单频激光器行业发展、国内窄线宽单频激光器行业政策环境及发展、研发动态、供需情况、重点生产企业、存在的问题及对策等多方面多角度阐述了窄线宽单频激光器行业市场的发展，并在此基础上对窄线宽单频激光器行业的发展前景作出了科学的预测，最后对窄线宽单频激光器行业投资潜力进行了分析。

制作单位：肇庆市彦心商务咨询服务有限公司（彦心咨询）

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1 窄线宽单频激光器市场概述

1.1 产品定义

“线宽”一词指的是激光在频域内的谱线宽度，这个宽度通常用频谱的半峰全宽（FWHM）来进行量化。

线宽的产生主要受激光器激发态原子或离子自发辐射、相位噪声、以及谐振腔机械振动、温度抖动等外界因素的影响。线宽的数值越小，意味着光谱的纯净度越高，也就是激光的单色性越好。拥有这类特点的激光器通常具有极小的相位或频率噪声和很小的相对强度噪声。同时，激光器的线宽数值越小，对应的相干性越强，表现为极长的相干长度。

例如，未经纵模选择的Nd:YAG激光器的输出线宽通常为百GHz量级，其相干长度仅为若干个毫米；而通过纵模选择，能够比较容易实现百MHz的窄线宽输出，相干长度可提升至米量级。现如今，人们通过布里渊激光器已经获得了亚Hz量级的极窄线宽输出，其理论相干长度达到了惊人的几十万千米。因此，以上优点使得窄线宽激光器在科学研究以及诸多应用领域都备受青睐。

受激光器工作物质的固有增益线宽限制，依靠传统振荡器本身几乎无法直接实现窄线宽激光的输出。为了实现窄线宽激光运转，通常需要利用滤波器、光栅等器件对增益谱内的纵模数进行限制或选择，增加各纵模间净增益差异，使激光谐振腔内最终存在少数几个甚至只有一个纵模的振荡。在该过程中，往往也要控制噪声对激光输出的影响，尽量减少外界环境的震动和温度变化导致的谱线展宽；同时，还可以结合对相位或频率噪声谱密度的分析，了解噪声来源、优化对激光器的设计，从而实现稳定的窄线宽激光的输出。

1.2 按照不同产品类型，主要可以分为如下几个类别

1.2.1 光纤激光器

光纤激光器的泵浦转换效率高、光束质量好、耦合效率高，是当前激光领域研究的热点，且在信息时代的背景下，光纤激光器与目前市场光纤通信系统的兼容性良好。而具有线宽窄、噪声低、相干性好等优点的单频光纤激光器更是成为其发展的重要方向之一。

实现单纵模运转是光纤激光器实现窄线宽输出的核心，通常按照单频光纤激光器的谐振腔的结构可将其分为DFB型、DBR型和环形腔型。其中，DFB型和DBR型单频光纤激光器的工作原理与DFB型和DBR型半导体激光器具有“异曲同工”之妙。

如下图所示，DFB型光纤激光器是将分布式布拉格光栅写入到光纤中，由于振荡器的工作波长受光纤周期影响，因此通过光栅的分布反馈即可实现纵模的选择；DBR型激光器通常由一对光纤布拉格光栅形成激光谐振腔，其单纵模的选取主要由窄带低反射率光纤布拉格光栅进行。而环形腔结构由于其谐振腔通常较长，且结构复杂、缺乏有效的鉴频机制，因此容易出现跳模，难以在恒定纵模下长期稳定地工作。

图表：两种典型线性结构的单频光纤激光器

资料来源：彦心咨询整理，2024年2月

1.2.2 半导体激光器

半导体激光器具有尺寸紧凑、效率高、寿命长以及经济实惠的优点。

传统半导体激光器采用的法布里-珀罗（F-P）光学谐振腔内一般为多纵模振荡，输出线宽相对较宽，要想获得窄线宽的输出则需要增加光反馈。

分布反馈（DFB）和分布布拉格反射（DBR）是两种典型的内部光反馈半导体激光器，其结构及输出光谱情况如下图所示，由于光栅的栅距较小，对波长具有良好的选择性，因此容易实现稳定的单频窄线宽输出。两种结构的主要区别在于光栅的位置：DFB结构通常将周期结构的布拉格光栅分布于整个谐振腔中，DBR的谐振腔通常由集成于端面的反射光栅结构和增益区构成。此外，DFB激光器使用低折射率对比度、低反射率的埋入式光栅；而DBR激光器使用高折射率对比度、高反射率的表面光栅。两种结构均具有较大的自由光谱范围，可以在几个纳米的范围内进行无模式跳变的波长调谐，其中相比于DFB激光器，DBR激光器的谐调范围更广泛。

此外，利用外部光学元件对半导体激光芯片的出射光进行反馈和选频的外腔光反馈技术也能够实现半导体激光的窄线宽运转。

图表：不同结构的半导体激光器

资料来源：彦心咨询整理，2024年2月

1.2.3 其他

1）固体激光器

1960年世界上的第一台红宝石激光器就属于固体激光器，其特点是具有较高的输出能量以及较为广泛的波长覆盖范围。固体激光器特有的空间结构特性，使其在实现窄线宽输出的设计更为灵活，目前实现的方法主要包括短腔法、单向环形腔法、腔内标准具法、扭摆模腔法、体布拉格光栅法和种子注入法等。

2）布里渊激光器

布里渊激光器是基于受激布里渊散射（SBS）效应获得低噪声、窄线宽输出的技术，其原理是通过光子与物质内部声波场相互作用产生具有一定频移的Stokes光子，并在增益带宽内被不断放大。

由于声波场的振动频率较低，材料的布里渊频移通常只有0.1-2cm-1，因此用1064 nm激光作为泵浦光，产生的Stokes光波长往往只有1064.01nm左右，但这也意味着其量子转换效率极高（理论可达99.99%以上）。另外，由于介质的布里渊增益线宽通常仅为 MHz-GHz量级（部分固体介质的布里渊增益线宽仅为10 MHz左右），远小于激光工作物质百GHz量级的增益线宽，因此，布里渊激光器内激发的Stokes光在腔内经过多次放大后能够呈现出明显的光谱窄化现象，其输出线宽可比泵浦线宽窄几个数量级。目前，布里渊激光器已经成为光子学领域研究的热点，已有诸多关于Hz和亚Hz量级的极窄线宽输出的报道。

9.5 中国市场未来发展的有利因素、不利因素分析

窄线宽单频激光器发展的有利因素主要包括：

光通信市场的增长：随着5G和云计算等技术的发展，光通信市场需求不断增加，而窄线宽单频激光器在光通信中的应用非常广泛，例如光纤传输、光谱分析等。

光学频率标准市场的增长：窄线宽单频激光器在光学频率标准中的应用非常重要，可以用于制造高精度的光学钟和频率计等设备，这个市场也在不断增长。

光学传感市场的增长：窄线宽单频激光器在光学传感中的应用也非常广泛，例如气体检测、光学光谱分析等，这个市场也在不断增长。

量子光学市场的增长：窄线宽单频激光器在量子光学中的应用也非常重要，可以用于制造高精度的量子计算和量子通信设备，这个市场也在不断增长。总体来说，窄线宽单频激光器市场前景非常广阔，未来还有很大的发展空间。

窄线宽单频激光器行业不利因素：

生产难度大：窄线宽单频激光器的生产需要高精度的制造技术和严格的控制条件，这使得其生产成本较高，且生产难度较大。

受激布里渊散射SBS效应、模式不稳定MI效应等限制：这些物理效应会对激光器的性能产生影响，限制其进一步发展。

核心技术掌握不足：目前，我国在窄线宽单频激光器的研究方面与国外企业相比仍存在一定差距，尤其是在核心技术方面。

10 研究成果及结论

经历了几十年的发展后，单频光纤激光器技术已经发展相对成熟且完善，作为一种重要的高精密光源，单频光纤激光器的应用领域非常广泛。尽管与主流材料加工市场的大功率光纤激光器相比，窄线宽单频激光器市场体量较小，但凭借独特的性能以及特殊领域的广泛应用，将成为激光技术队伍里的重要补充。

目前，窄线宽单频激光器主要用于分布式光纤声波传感系统、周界安全、水听、用于相干激光雷达系统实现高精度的成像、速度和距离的遥感探测。此外，石油和天然气勘探系统、管道监控、气体泄露检测、冷原子物理、空间激光通信以及微波光子学等领域，窄线宽单频激光器也将发挥重要作用。

在全球及中国市场方面：2023年全球窄线宽单频激光器销售收入达到了9.17亿美元，预计2029年将达到15.17亿美元。2023年中国窄线宽单频激光器销售收入达到了7.18亿元，预计2029年将达到17.30亿元。

在区域市场方面：北美地区是最大的窄线宽单频激光器市场，市场份额达32.68%%。亚太地区是第二大市场，市场份额为29.76%。

在细分产品市场方面：2023年半导体激光器占全球市场的42.54%，其次是光纤激光器，占比为26.10%。

在细分应用领域方面：2023年全球市场中占比最大的为激光雷达领域，其应用占比高达38.6%；其次是光纤传感领域，占比为34.66 %。

在竞争企业方面：全球范围内，窄线宽单频激光器第一梯队主要生产商包括相干、NKTPHOTONICS、HÜBNER Photonics、TOPTICA以及Orbits，前五大厂商占有大约44.41%的市场份额。Q

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